Vibrerande celler avslöjar sina åkommor

Överbryggande fysik, teknik och mikrobiologi har forskare vid MIT mätt frekvensen med vilken röda blodkroppar vibrerar och har visat att dessa frekvenser återspeglar cellernas hälsa. Forskningen skulle kunna leda till bättre medicinsk diagnostik.

Levande celler: MIT:s Michael Feld och Subra Suresh kunde, med hjälp av en teknik utvecklad i Felds labb, avbilda vibrationerna i membranet hos en blodkropp infekterad med malariaparasiten (överst). Felds teknik gav också bilder av det inre av cellerna (botten), vilket gjorde det möjligt för forskarna att korrelera cellernas vibrationsfrekvenser med sjukdomens utveckling.

Arbetet utfördes i samarbete mellan MIT fysiker Michael Field och Subra Suresh , dekanus vid MIT:s ingenjörskola och materialvetare. Feld leder MIT:s Laser Biomedical Research Center, som har utvecklat en avbildningsteknik som kan skapa tredimensionella bilder av levande celler. Sureshs laboratorium har genomfört experiment för att mäta saker som stelheten hos röda blodkroppar infekterade av malariaparasiter.

En röd blodkropp har elektrisk, kemisk och biologisk aktivitet som äger rum inuti den, vilket orsakar nanoskaliga vibrationer på ytan. För att mäta cellernas vibrationsfrekvenser kombinerade forskarna Felds avbildningsteknik med diffraktionsfasmikroskopi, där en laserstråle som passerar genom en cell återförenas med en referensstråle som inte gör det, vilket skapar ett distinkt interferensmönster. För att fastställa sambandet mellan cellernas vibrationer och deras hälsa använde forskarna Felds teknik för att skapa tredimensionella bilder av en malariaparasit inuti en röd blodkropp. De mätte också nivåerna av hemoglobin inuti cellerna under olika stadier av en malariainfektion.

Det här har aldrig gjorts förut, säger Ares Rosakis , professor i flygteknik och maskinteknik vid California Institute of Technology. Att skala ner optiska tekniker till nivån [nanoskala] är extremt utmanande. (Rosakis var inte involverad i arbetet, även om en av hans tidigare doktorander var det.)

Rosakis ser två användningsområden för de nya teknikerna. En är att förbättra datormodeller av celler, eftersom Feld och Sureshs mätningar är så mycket mer exakta än tidigare mätningar. Den andra är bättre diagnostik. U.S. Centers for Disease Control (CDC) noterar att det huvudsakliga testet för malaria för närvarande fungerar inte vid akut malaria : det kan känna igen sjukdomen först i efterhand. Så småningom kan en teknik som Feld och Sureshs ge ett sätt att upptäcka malaria när det händer. Tänk på framtiden för en läkare eller till och med en outbildad tekniker som har [tekniken] byggd inuti ett kommersiellt mikroskop och ... omedelbart få en avläsning om sjukdomstillståndet, säger Rosakis.

Suresh noterar att det var sällsynt för maskiningenjörer att arbeta med cellbiologi, och ännu mer sällsynt att göra det med fysiker. Men han och Feld behöver inte lämna byggnaden för att samarbeta, säger han.

De två började arbeta tillsammans för ungefär två och ett halvt år sedan, efter att Feld bjöd in Suresh att hålla ett föredrag om arbetet som hans labb gjorde på malariaceller. Efter Sureshs samtal beslutade de två att kombinera krafter – och instrument – ​​för att mäta hastigheten med vilken friska och sjuka röda blodkroppar vibrerar.

De valde malariaceller på grund av Sureshs erfarenhet av att arbeta med dem, men det innebar att Felds labb var tvungen att byggas om för att uppfylla CDC:s nivå 2 biosäkerhetsstandarder. Det projektet leddes av en av forskarna i Sureshs team, Monica Diez-Silva, den enda mikrobiologen i båda grupperna.

Det tar 48 timmar för en inkräktare av malaria att gå igenom sin livscykel, utvecklas, reproduceras och fördrivas från cellen. Forskarna var alltså tvungna att utvärdera infekterade celler från varje steg av den 48-timmarsprocessen, vid temperaturer som simulerade febern och kylningen som människokroppen upplever under en malariainfektion.

Vibrerande cellmembran rör sig bara nanometer åt gången, och dessa rörelser sker på mikrosekunder – miljondelar av en sekund. För att fånga data från laserstrålen som passerar genom cellerna använde forskarna Felds bildteknik, som syr ihop flera bilder till en komposit. Tekniken är en art av tomografi, principen som ligger till grund för datortomografi (CT) skanningar.

Rosakis säger att avbildning med interferensmönster är särskilt utmanande när man tittar på röda blodkroppar, som är munkformade och flytande, som ständigt ändrar form i alla riktningar.

Suresh och Felds första uppsättning experiment tog nästan åtta månader, inklusive veckor och veckor för att sätta ihop 3D-bilderna av parasiterna inuti cellerna. Sedan bestämde de sig för att titta på hemoglobinnivåerna, vilket också tog månader. De tillbringade nästan sex månader med att skriva upp resultaten, som kommer att publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences Denna vecka.

Suresh säger att forskningen bör gälla alla andra typer av levande celler. Han och Feld vill titta på röda blodkroppar med sickleanemi, och möjligen cancerceller, även om det blir svårare att studera celler som har en kärna.

Sureshs och Felds tekniker kan ännu inte användas för att diagnostisera sjukdomar, men Suresh säger att deras arbete ligger till den vetenskapliga grunden att man kan mäta sjukdom på cellnivå.

Dölj